JP2007226771A - Pcr elbow determination using curvature analysis of double sigmoid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、概して、シグモイド又は成長曲線を表すデータを処理するシステム及び方法に関するものであり、更に詳しくは、PCR増幅曲線の特徴的なサイクル閾値(Cycle Threshold:Ct)又はエルボー値、或いは、その他の成長曲線のエルボー値を決定するシステム及び方法に関するものである。 The present invention relates generally to systems and methods for processing data representing sigmoid or growth curves, and more particularly to characteristic cycle threshold (Ct) or elbow values of PCR amplification curves, or others The present invention relates to a system and method for determining the elbow value of a growth curve.
ポリメラーゼ連鎖反応(Polymerase Chain Reaction:PCR)は、規定の核酸配列を酵素によって合成又は増幅する体外的な方法である。この反応においては、通常、正反対の鎖にハイブリダイズし、増幅対象のテンプレート又は標的DNA配列にフランキングする2つのオリゴヌクレオチドプライマーを使用する。該プライマーの伸長は、熱安定性を有するDNAポリメラーゼにより触媒される。テンプレートの変性、プライマーのアニーリング、及びアニーリングされたプライマーのポリメラーゼによる伸長を伴う反復的な一連のサイクルの結果として、特定のDNAフラグメントが指数的に蓄積される。通常、このプロセスにおいては、増幅プロセスの検出及び定量化を円滑に実行するべく、蛍光プローブ又はマーカーが使用されている。 Polymerase chain reaction (PCR) is an extracorporeal method in which a specific nucleic acid sequence is synthesized or amplified by an enzyme. This reaction typically uses two oligonucleotide primers that hybridize to the opposite strand and flanking the template or target DNA sequence to be amplified. The extension of the primer is catalyzed by a thermostable DNA polymerase. Specific DNA fragments accumulate exponentially as a result of a series of repeated cycles involving template denaturation, primer annealing, and polymerase extension of the annealed primer. This process typically uses fluorescent probes or markers to facilitate the detection and quantification of the amplification process.
図1には、典型的なリアルタイムのPCR曲線が示されており、典型的なPCRプロセスにおける蛍光強度値がサイクル数に対してプロットされている。このケースにおいては、PCRプロセスのそれぞれのサイクルにおいて、PCR産物の形成がモニタリングされている。増幅は、通常、増幅反応の際に蛍光信号を計測するコンポーネント及び装置を含むサーモサイクラー内において計測される。このようなサーモサイクラーの一例が、Roche Diagnostics LightCyclerである(Cat. No.20110468)。例えば、増幅産物は、標的核酸に結合した際にのみ蛍光信号を放出する蛍光標識ハイブリダイゼーションプローブによるか、或いは、場合によっては二本鎖DNAに結合する蛍光染料により、検出される。 FIG. 1 shows a typical real-time PCR curve, where fluorescence intensity values for a typical PCR process are plotted against cycle number. In this case, the formation of the PCR product is monitored at each cycle of the PCR process. Amplification is typically measured in a thermocycler that includes components and devices that measure the fluorescence signal during the amplification reaction. An example of such a thermocycler is Roche Diagnostics LightCycler (Cat. No. 201110468). For example, the amplification product is detected by a fluorescently labeled hybridization probe that emits a fluorescent signal only when bound to the target nucleic acid, or in some cases by a fluorescent dye that binds to double-stranded DNA.
典型的なPCR曲線において、ベースライン領域の終点における遷移点(これは、一般に、エルボー値又はサイクル閾値(Ct)と呼ばれている)を識別することは、PCR増幅プロセスの特性を理解するのに非常に有用である。Ct値は、PCRプロセスの効率の尺度として使用可能である。例えば、通常、分析対象であるすべての反応について規定の信号閾値を決定し、この閾値に到達するのに必要なサイクル数(Ct)を標的核酸及び標準又はハウスキーピング遺伝子などの基準核酸について決定する。標的核酸及び基準核酸について得られたCt値に基づいて、標的分子の絶対的又は相対的なコピー数を決定可能である(Gibson他による「Genome Research」(6巻、995〜1001頁)、Bieche他による「Cancer Research」(59巻、2759〜2765頁、1999年)、WO 97/46707、WO 97/46712、WO 97/46714)。図1のベースライン領域15の終点にある領域20のエルボー値は、サイクル数30の領域に位置しうる。
In a typical PCR curve, identifying the transition point at the end of the baseline region (which is commonly referred to as the elbow value or cycle threshold (Ct)) will understand the characteristics of the PCR amplification process. Very useful to. The Ct value can be used as a measure of the efficiency of the PCR process. For example, a defined signal threshold is typically determined for all reactions to be analyzed, and the number of cycles (Ct) required to reach this threshold is determined for a target nucleic acid and a reference nucleic acid such as a standard or housekeeping gene. . Based on the Ct values obtained for the target nucleic acid and the reference nucleic acid, the absolute or relative copy number of the target molecule can be determined ("Genome Research" by Gibson et al., Vol. 6, pages 995-1001), Bieche. "Cancer Research" (59, 2759-2765, 1999), WO 97/46707, WO 97/46712, WO 97/46714). The elbow value of the
PCR曲線のエルボー値は、いくつかの既存の方法を使用して決定可能である。例えば、様々な現在の方法においては、AFL(Arbitrary Fluorescence Value)と呼ばれる既定のレベルに蛍光が到達する値としてエルボーの実際の値を決定している。その他の現在の方法においては、蛍光対サイクル数の二次導関数が極大値に到達するサイクル数を使用することがある。これらの方法は、いずれも欠点を有している。例えば、方法によっては、異常値(雑音)データの影響を非常に受けやすく、AFL値法は、高いベースラインを有するデータセットには、十分に機能しない。図1に示されている成長曲線のベースラインの停止点(又は、ベースラインの終点)を決定する従来の方法は、特に、高タイター環境においては、満足に機能することができない。更には、これらのアルゴリズムは、通常、明確に規定されておらず、線形依存性であり、且つ、不可能でないにしても、最適化が非常に困難であるという、多数(例えば、50個以上)のパラメータを有している。 The elbow value of the PCR curve can be determined using several existing methods. For example, in various current methods, the actual value of the elbow is determined as the value at which the fluorescence reaches a predetermined level called AFL (Arbitrary Fluorescence Value). Other current methods may use the cycle number at which the second derivative of the fluorescence versus cycle number reaches a local maximum. Both of these methods have drawbacks. For example, some methods are very sensitive to outlier (noise) data, and the AFL value method does not work well for data sets with a high baseline. The conventional method of determining the baseline stop point (or baseline endpoint) of the growth curve shown in FIG. 1 cannot work satisfactorily, especially in high titer environments. Furthermore, these algorithms are usually not well defined, are linearly dependent, and many (eg, 50 or more) that are very difficult to optimize if not impossible. ) Parameters.
従って、前述の及びその他の問題点を克服するシグモイドタイプ又は成長曲線などの曲線(特に、PCR曲線)のエルボー値を決定するシステム及び方法を提供することが望ましい。 Accordingly, it would be desirable to provide a system and method for determining the elbow value of a curve (especially a PCR curve) such as a sigmoid type or growth curve that overcomes the aforementioned and other problems.
本発明は、シグモイド又は成長タイプの曲線のエルボー値などの特徴的な遷移値を決定する新しい効率的なシステム及び方法を提供する。ある実施においては、本発明のシステム及び方法は、PCR増幅曲線のサイクル閾値(Ct)を決定するのに特に有用である。 The present invention provides a new and efficient system and method for determining characteristic transition values such as elbow values of sigmoid or growth type curves. In certain implementations, the systems and methods of the present invention are particularly useful for determining the cycle threshold (Ct) of a PCR amplification curve.
本発明によれば、Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスによって決定されたパラメータを有するダブルシグモイドを使用することにより、PCRデータセットにフィットする曲線に対する近似を検出している。パラメータの決定が完了したら、決定されたパラメータの1つ又は複数のものを使用し、その曲線を正規化可能である。正規化の後に、正規化済みの曲線を処理することにより、曲線に沿ったいくつか又はすべてのポイントにおける曲線の曲率を決定し、例えば、曲率対サイクル数を表すデータセット又はプロットを生成する。最大曲率が発生するサイクル数がCt値に対応している。この結果、Ct値が返され、これを表示するか又は更なる処理に使用可能である。 In accordance with the present invention, an approximation to a curve that fits a PCR data set is detected by using a double sigmoid with parameters determined by a Levenberg-Marquardt (LM) regression process. Once the parameter determination is complete, one or more of the determined parameters can be used to normalize the curve. After normalization, the normalized curve is processed to determine the curvature of the curve at some or all points along the curve, for example, generating a data set or plot that represents curvature versus number of cycles. The number of cycles in which the maximum curvature occurs corresponds to the Ct value. This returns a Ct value that can be displayed or used for further processing.
本発明の第1の態様においては、成長曲線のベースライン領域の終点におけるポイントを決定するコンピュータにより実施される方法であって:
−成長曲線を表すデータセットであって、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでいるデータセットを受領する段階と、
−Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用してデータセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、この関数のパラメータを決定する段階と、
−決定されたパラメータを使用して曲線を正規化し、正規化済みの曲線を生成する段階と、
−正規化済みの曲線を処理することにより、長曲線のベースライン領域の終点を表す最大曲率のポイントを決定する段階と、
を含んで成る方法を提供する。
In a first aspect of the invention, a computer-implemented method for determining a point at the end of a baseline region of a growth curve comprising:
-Receiving a data set representing a growth curve, each data set comprising a plurality of data points having a pair of coordinate values;
Determining the parameters of the function by applying a Levenberg-Marquardt (LM) regression process to the double sigmoid function to calculate an approximation of the curve that fits the data set;
Normalizing the curve using the determined parameters to generate a normalized curve;
Determining a maximum curvature point representing the end point of the baseline region of the long curve by processing the normalized curve;
A method comprising the steps of:
本発明の第2の態様においては、プロセッサを制御して成長曲線のベースライン領域の終点におけるポイントを決定するためのコードを含むコンピュータ読み取り可能な媒体が提供され、このコードは、
−成長曲線を表すデータセットを受領する段階であって、このデータセットは、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでいる、段階と、
−Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用してデータセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、この関数のパラメータを決定する段階と、
−決定されたパラメータを使用して曲線を正規化し、正規化済みの曲線を生成する段階と、
−正規化済みの曲線を処理することにより、最大曲率のポイントを決定する段階であって、この最大曲率のポイントは、成長曲線のベースライン領域の終点を表している、段階と、
を実行する命令を含んでいる。
In a second aspect of the invention, a computer readable medium is provided that includes code for controlling a processor to determine a point at the end of a baseline region of a growth curve, the code comprising:
Receiving a data set representing a growth curve, the data set comprising a plurality of data points each having a pair of coordinate values;
Determining the parameters of the function by applying a Levenberg-Marquardt (LM) regression process to the double sigmoid function to calculate an approximation of the curve that fits the data set;
Normalizing the curve using the determined parameters to generate a normalized curve;
Determining a point of maximum curvature by processing a normalized curve, the point of maximum curvature representing the end of the baseline region of the growth curve; and
Contains instructions to execute.
本発明の更に別の態様においては、動力学的なポリメラーゼ連鎖反応(PCR)システムであって:
−動力学的なPCR増幅曲線を表すPCRデータセットを生成する動力学的PCR分析モジュールであって、このデータセットは、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでおり、且つ、このデータセットは、サイクル閾値(Ct)を含む注目の領域内にデータポイントを含んでいる、動力学的PCR分析モジュールと;
−PCRデータセットを、
−Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用してデータセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、この関数のパラメータを決定する段階と、
−決定されたパラメータを使用して曲線を正規化し、正規化済みの曲線を生成する段階と、
−正規化済みの曲線を処理することにより、成長曲線のサイクル閾値(Ct)を表す最大曲率のポイントを決定する段階と、により、
処理してCt値を決定するべく適合されたインテリジェンスモジュール;
を有している。
In yet another aspect of the invention, a kinetic polymerase chain reaction (PCR) system comprising:
A kinetic PCR analysis module that generates a PCR data set representing a kinetic PCR amplification curve, the data set comprising a plurality of data points each having a pair of coordinate values; and The data set includes a kinetic PCR analysis module that includes data points within a region of interest that includes a cycle threshold (Ct);
-PCR data set
Determining the parameters of the function by applying a Levenberg-Marquardt (LM) regression process to the double sigmoid function to calculate an approximation of the curve that fits the data set;
Normalizing the curve using the determined parameters to generate a normalized curve;
Determining a point of maximum curvature representing the cycle threshold (Ct) of the growth curve by processing the normalized curve;
An intelligence module adapted to process and determine a Ct value;
have.
添付の図面と請求項を含む本明細書の残りの部分を参照することにより、本発明のその他の特徴及び利点について理解することができよう。以下、添付の図面との関連において、本発明の更なる特徴及び利点、並びに、本発明の様々な実施例の構造及び動作について詳細に説明することとする。尚、添付図面中においては、類似の参照符号により、同一又は機能的に類似した要素を示している。 Reference to the remaining portions of the specification, including the attached drawings and claims, will realize other features and advantages of the present invention. Further features and advantages of the present invention, as well as the structure and operation of various embodiments of the present invention, are described in detail below in connection with the accompanying drawings. In the accompanying drawings, the same or functionally similar elements are indicated by similar reference numerals.
本発明は、PCR増幅曲線のベースライン領域の終点又はエルボー値又はCt値などのシグモイド又は成長曲線の遷移値を決定するためのシステム及び方法を提供する。ある態様においては、Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスによって決定されたパラメータを有するダブルシグモイド関数を使用することにより、曲線に対する近似を検出している。パラメータの決定が完了したら、決定されたパラメータの1つ又は複数のものを使用して曲線を正規化可能である。正規化の後に、正規化済みの曲線は、曲線に沿ったいくつか又はすべてのポイントにおける曲線の曲率を決定するように、例えば、曲率対サイクル数を表すデータセット又はプロットを生成するように処理される。最大曲率が発生するサイクル数はCt値に対応している。この結果、Ct値が返され、これを表示するか又は更なる処理に使用可能である。 The present invention provides a system and method for determining the endpoint of a baseline region of a PCR amplification curve or the transition value of a sigmoid or growth curve, such as an elbow value or Ct value. In one aspect, an approximation to the curve is detected by using a double sigmoid function having parameters determined by a Levenberg-Marquardt (LM) regression process. Once the parameter determination is complete, the curve can be normalized using one or more of the determined parameters. After normalization, the normalized curve is processed to determine the curvature of the curve at some or all points along the curve, for example, to generate a data set or plot that represents curvature versus number of cycles. Is done. The number of cycles in which the maximum curvature occurs corresponds to the Ct value. This returns a Ct value that can be displayed or used for further processing.
一例としてPCRプロセスの環境における成長又は増幅曲線10を図1に示す。図示のように、曲線10は、遅滞期領域15と、対数期領域25と、を含んでいる。遅滞期領域15は、一般に、ベースライン又はベースライン領域と呼ばれている。このような曲線10は、遅滞期領域と対数期領域を結びつける注目の遷移領域20を含んでいる。領域20は、一般に、エルボー又はエルボー領域と呼ばれている。エルボー領域は、通常、ベースラインの終点と、基礎となっているプロセスの成長又は増幅レートにおける遷移と、を規定する。領域20内の特定の遷移ポイントを識別することは、基礎となっているプロセスの振る舞いを分析するのに有用であろう。典型的なPCR曲線において、エルボー値又はサイクル閾値(Ct)と呼ばれる遷移ポイントを識別することは、PCRプロセスの効率特性を理解するのに非常に有用である。
As an example, a growth or
同様のシグモイド又は成長曲線を提供可能なその他のプロセスには、細菌的なプロセス、酵素的なプロセス、及び結合のプロセスが含まれる。例えば、細菌増殖曲線において、注目の遷移ポイントは、遅滞期における時点θと称される。本発明に従って分析可能なデータ曲線を生成するその他の具体的なプロセスは、SDA(Strand Displacement Amplification)プロセス、NASBA(Nucleic Acid Sequence−Based Amplification)プロセス、及びTMA(Transcription Mediated Amplification)プロセスを含んでいる。SDA及びNASBAプロセスの例及びデータ曲線については、それぞれ、Wang,Sha−Sha他による「Homogeneous Real−Time Detection of Single−Nucleotide Polymorphisms by Strand Displacement Amplification on the BD ProbeTec Et System」(Clin Chem、2003年、49(10)、1599頁)と、Weusten、Jos J.A.M.他による「Principles of Quantitation of Viral Loads Using Nucleic Acid Sequence−Based Amplification in combination With Homogeneous Detection Using Molecular Beacons」(Nucleic Acids Research、2002年、30(6)、26)を参照されたい。従って、本明細書の残りの部分においては、PCR曲線に対するその適用可能性の観点から本発明の実施例及び態様について説明することとするが、本発明は、その他のプロセスに関係したデータ曲線にも適用可能であることを理解されたい。
Other processes that can provide similar sigmoid or growth curves include bacterial processes, enzymatic processes, and binding processes. For example, in the bacterial growth curve, the transition point of interest is referred to as the time point θ in the lag phase. Other specific processes for generating a data curve that can be analyzed in accordance with the present invention include the SDA (Strand Displacement Amplification) process, the NASBA (Nucleic Acid Sequence-Based Amplification) process, and the TMA (Transcribing Meditation Amplification process). . For examples of SDA and NASBA processes and data curves, see "Homogeneous Real-Time Detection of Single-Nucleotide Solid Strength Disposition by Tang, Sha-Sha, et al." 49 (10), p. 1599), Weusten, Jos. A. M.M. Others "Principles of Quantification of Virtual Loads Using
図1に示されているように、典型的なPCR成長曲線のデータは、例えば、x軸を規定するPCRサイクル数と、y軸を規定する蓄積されたポリヌクレオチドの成長のインジケータと、によるものなどの2次元座標系において表現可能である。通常は、蛍光マーカーの使用が、恐らくは、最も広範に使用されている標識の方式であることから、図1に示されているように、蓄積された成長のインジケータは、蛍光の強度値である。但し、使用する特定の標識及び/又は検出の方式に応じて、その他のインジケータを使用することも可能であることを理解されたい。蓄積された信号成長のその他の有用なインジケータの例には、ルミネセンス強度、ケミルミネセンス強度、バイオルミネセンス強度、リン光強度、電荷転送、電圧、電流、電力、エネルギー、温度、粘度、光散乱、放射性強度、反射率、透過率、及び吸光度が含まれている。サイクルの定義も、時間、プロセスサイクル、単位動作サイクル、及び再生サイクルを包含可能である。 As shown in FIG. 1, typical PCR growth curve data is, for example, due to the number of PCR cycles defining the x-axis and an indicator of accumulated polynucleotide growth defining the y-axis. Can be expressed in a two-dimensional coordinate system. Since the use of fluorescent markers is usually the most widely used labeling method, the accumulated growth indicator is the intensity value of the fluorescence, as shown in FIG. . However, it should be understood that other indicators may be used depending on the particular label and / or detection scheme used. Examples of other useful indicators of accumulated signal growth include luminescence intensity, chemiluminescence intensity, bioluminescence intensity, phosphorescence intensity, charge transfer, voltage, current, power, energy, temperature, viscosity, light Scattering, radioactive intensity, reflectance, transmittance, and absorbance are included. The definition of cycle can also include time, process cycle, unit operation cycle, and regeneration cycle.
(全般的プロセスの概要)
本発明によれば、動力学的なPCR増幅曲線のエルボー値又はCt値などのシングルシグモイド曲線の遷移値を決定するプロセスの一実施例100については、図2を参照することにより、簡潔に説明可能である。段階110において、曲線を表す実験データセットを受領するか又は取得する。図1には、プロットされたPCRデータセットの一例が示されており、この場合には、y軸とx軸は、それぞれ、PCR曲線の蛍光強度とサイクル数を表している。ある態様においては、このデータセットは、連続的であって軸に沿って等間隔を有するデータを含むべきである。
(Overview of general process)
In accordance with the present invention, one
本発明の例示的な実施態様においては、本方法は、キーボード、マウス、及びこれらに類似したものなどのデータセットを入力するための入力装置;モニターなどの、曲線の領域内の注目の特定のポイントを表すための表示装置;CPUなどの本方法のそれぞれの段階を実行するのに必要な処理装置;モデムなどのネットワークインターフェイス;データセットを保存するためのデータストレージ装置;プロセッサ上において稼動するコンピュータコード;及びこれらに類似したものを含む(但し、これらに限定されない)従来のパーソナルコンピュータシステムを使用することによって実施可能である。又、本方法は、PCR装置内で実施することも可能である。 In an exemplary embodiment of the invention, the method includes an input device for entering a data set, such as a keyboard, mouse, and the like; a particular feature of interest in the area of the curve, such as a monitor. A display device for representing points; a processing device such as a CPU necessary for performing each stage of the method; a network interface such as a modem; a data storage device for storing data sets; a computer running on a processor Can be implemented by using a conventional personal computer system, including but not limited to code; and the like. The method can also be performed in a PCR device.
図21には、本発明によるシステムが表示されている。この図は、ソフトウェア及びハードウェア資源間における関係を示す概略的なブロックダイアグラムを示している。本システムは、サーモサイクラー内に配置可能な動力学的PCR分析モジュールと、コンピュータシステムの一部であるインテリジェンスモジュールと、を有している。データセット(PCRデータセット)は、ネットワーク接続又は直接接続を介して分析モジュールからインテリジェンスモジュールに(又は、この逆方向に)転送される。データセットは、プロセッサ上において稼動していると共にインテリジェンスモジュールのストレージ装置内に保存されているコンピュータコードにより、図2に示されている方法に従って処理された後に、分析モジュールのストレージ装置に返送され、変更されたデータを表示装置上に表示可能である。特定の実施態様においては、PCRデータ取得装置内にインテリジェントモジュールを実装することも可能である。 FIG. 21 shows a system according to the present invention. This figure shows a schematic block diagram showing the relationship between software and hardware resources. The system has a dynamic PCR analysis module that can be placed in a thermocycler and an intelligence module that is part of a computer system. The data set (PCR data set) is transferred from the analysis module to the intelligence module (or vice versa) via a network connection or a direct connection. The data set is processed in accordance with the method shown in FIG. 2 by computer code running on the processor and stored in the intelligence module storage device, and then returned to the analysis module storage device, The changed data can be displayed on the display device. In certain embodiments, an intelligent module may be implemented in the PCR data acquisition device.
プロセス100は、サーモサイクラーなどのPCRデータ取得装置内に位置するインテリジェンスモジュール内で(例えば、プロセッサ実行命令として)実施されているケースにおいては、データの収集に伴って、データセットをリアルタイムでインテリジェンスモジュールに供給可能であり、或いは、メモリユニット又はバッファ内に保存し、実験が完了した後に、インテリジェンスモジュールに供給することも可能である。同様に、データセットは、取得装置に対するネットワーク接続(例えば、LAN、VPN、イントラネット、インターネットなど)又は直接接続(例えば、USBやその他の直接的な有線又は無線接続)を介してデスクトップコンピュータシステムやその他のコンピュータシステムなどの別個のシステムに供給することも可能であり、或いは、CD、DVD、フロッピー(登録商標)ディスク、又はこれらに類似したものなどの携帯型の媒体上において提供することも可能である。ある態様においては、データセットは、座標値のペアを有するデータポイント(又は、2次元ベクトル)を含んでいる。PCRデータの場合には、座標値のペアは、通常、サイクル数と蛍光強度値を表している。段階110においてデータセットの受領又は取得が完了した後に、データセットを分析することにより、ベースライン領域の終点を決定可能である。
In the case where the
段階120において、曲線の近似を算出する。この段階において、ある実施態様においては、Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセス又はその他の回帰プロセスによって決定されたパラメータを有するダブルシグモイド関数を使用することにより、データセットを表す曲線の近似を検出している。この近似は、異常値又はスパイクポイントが曲線フィットの品質に対して最小限の影響を有していることから、「ロバスト(robust)」と称されている。図13(これについては、後述する)は、受領したデータセットのプロットと、本発明に従ってLevenberg−Marquadtr回帰プロセスを使用してダブルシグモイド関数のパラメータを決定することによって決定されたデータセットのロバスト近似の一例を示している。
In
ある態様においては、データセットを処理してベースライン領域の終点を決定する前に、データセット内の異常値又はスパイクポイントを除去又は置換している。スパイクの除去は、段階110においてデータセットを取得する前又は後において実行可能である。図3は、PCR又はその他の成長曲線を表すデータセット内のスパイクポイントを識別及び置換するためのプロセスフローを示している。
In some aspects, outliers or spike points in the data set are removed or replaced before the data set is processed to determine the endpoint of the baseline region. Spike removal can be performed before or after acquiring the data set at
段階130において、後述するように、段階120において決定されたパラメータを使用して曲線を正規化することにより、例えば、ベースラインスロープを除去している。この方式による正規化によれば、曲線のベースライン領域の終点又はベースラインの停止位置を決定又は規定することを必要とすることなしに、Ct値を決定可能である。この結果、後述するように、段階140において、正規化済みの曲線を処理してCt値を決定する。
In
(LM回帰プロセス)
後述するように、図3の段階502〜段階524も、データセットの曲線を近似すると共に、フィット関数のパラメータを決定するプロセスフロー(段階120)を示している。これらのパラメータは、曲線の正規化(段階130)に使用可能である(これは、例えば、本発明のある実施態様によれば、PCR曲線などのシグモイド又は成長タイプ曲線を表すデータセットのベースラインスロープの変更又は除去である)。データセットの処理によってスパイクポイントが除去又は置換された変更済みのデータセットが生成されたら、段階502〜段階524に従って、この変更済みのスパイクを有していないデータセットを処理することにより、フィット関数のパラメータを識別可能である。
(LM regression process)
As will be described later, steps 502 to 524 of FIG. 3 also illustrate a process flow (step 120) for approximating the curves of the data set and determining the parameters of the fit function. These parameters can be used for curve normalization (stage 130) (this is the baseline of a data set representing a sigmoid or growth type curve, eg, a PCR curve, according to one embodiment of the invention). Changing or removing the slope). Once the modified data set has been generated with spike points removed or replaced by processing the data set, the fit function is obtained by processing the data set that does not have the modified spike according to steps 502-524. Can be identified.
図示したある実施態様においては、Levenberg−Marquardt(LM)法を使用することにより、データセットのロバスト曲線近似を算出している。LM法は、非線形の回帰プロセスであり、これは、非線形関数とデータセット間の距離を最小化する反復的な技法である。これは、最急降下プロセスとGauss−Newtonプロセスの組み合わせのように振舞うプロセスであり、現在の近似が十分にフィットしていない場合には、最急降下プロセスのように振舞うが(これは、低速であるが、相対的に高い信頼性を有する収束である)、現在の近似が正確になるに伴って、Gauss−Newtonプロセスのように振舞うことになる(これは、相対的に高速であるが、相対的に低い信頼性を有する収束である)。LM回帰法は、非線形の回帰問題を解決するべく、広く使用されている。 In one illustrated embodiment, a robust curve approximation of the data set is calculated by using the Levenberg-Marquardt (LM) method. The LM method is a non-linear regression process, which is an iterative technique that minimizes the distance between the non-linear function and the data set. This is a process that behaves like a combination of a steepest descent process and a Gauss-Newton process, but behaves like a steepest descent process if the current approximation is not well-fitted (which is slow Will behave like a Gauss-Newton process as the current approximation becomes accurate (which is relatively fast, but relative) Convergence with low reliability). The LM regression method is widely used to solve nonlinear regression problems.
一般的に、LM回帰法は、様々な入力を必要とすると共に出力を供給するアルゴリズムを含んでいる。ある観点においては、入力は、処理の対象であるデータセットと、このデータへのフィットに使用される関数と、この関数のパラメータ又は変数の初期推定値と、を含んでいる。出力は、関数とデータセット間の距離を最小化する関数のパラメータの組を含んでいる。 In general, LM regression methods include algorithms that require various inputs and provide outputs. In one aspect, the input includes the data set to be processed, the function used to fit the data, and an initial estimate of the function's parameters or variables. The output includes a set of function parameters that minimize the distance between the function and the data set.
ある実施態様よれば、フィット関数は、次のようなダブルシグモイドの形態を有している。 According to one embodiment, the fit function has the following double sigmoid form:
f(x)=a+bx+c/((1+exp-d(x-e))(1+exp-f(x-g))) (1) f (x) = a + bx + c / ((1 + exp- d (xe) ) (1 + exp- f (xg) )) (1)
この式をフィット関数として選択した理由は、典型的なPCR曲線又はその他の成長曲線が有する様々な曲線形状にフィットするためのその柔軟性とその能力に基づいている。当業者であれば、必要に応じて、前述のフィット関数やその他のフィット関数の変形を使用可能であることを理解するであろう。 The reason for choosing this equation as the fit function is based on its flexibility and ability to fit the various curve shapes that a typical PCR curve or other growth curve has. One skilled in the art will appreciate that variations of the aforementioned fit functions and other fit functions can be used as needed.
ダブルシグモイド式(1)は、a、b、c、d、e、f、及びgという7つのパラメータを有している。この式は、定数、スロープ、及びダブルシグモイドの和に分解可能である。ダブルシグモイド自体は、2つのシグモイドの乗算である。図4は、ダブルシグモイド式(1)の分解を示している。パラメータd、e、f、及びgは、2つのシグモイドの形状を決定している。最終的な曲線に対するこれらの影響を示すために、次のシングルシグモイドを検討する。 The double sigmoid equation (1) has seven parameters, a, b, c, d, e, f, and g. This equation can be decomposed into the sum of a constant, a slope, and a double sigmoid. The double sigmoid itself is a multiplication of two sigmoids. FIG. 4 shows the decomposition of the double sigmoid equation (1). The parameters d, e, f, and g determine the shape of the two sigmoids. To show these effects on the final curve, consider the following single sigmoid.
1/(1+exp-d(x-e)) (2) 1 / (1 + exp -d (xe) ) (2)
ここで、パラメータdは、曲線の「シャープネス」を決定しており、パラメータeは、変曲点のx値を決定している。図5は、曲線に対するパラメータdの影響と、変曲点のx値の位置に対するパラメータeの影響と、を示している。次の表1は、ダブルシグモイド曲線に対するパラメータの影響を示している。 Here, the parameter d determines the “sharpness” of the curve, and the parameter e determines the x value of the inflection point. FIG. 5 shows the influence of the parameter d on the curve and the influence of the parameter e on the position of the inflection point x value. Table 1 below shows the effect of the parameters on the double sigmoid curve.
ある観点においては、曲線が非現実的な形状を獲得することを防止するべく、ダブルシグモイド式の「シャープネス」パラメータd及びfを制約する必要がある。従って、ある観点においては、d<−1又はd>1.1、或いは、f<−1又はf>1.1におけるすべての反復を失敗と見なしている。その他の態様においては、パラメータd及びfに対する異なる制約を使用可能である。 In one aspect, the double sigmoid “sharpness” parameters d and f need to be constrained to prevent the curve from acquiring an unrealistic shape. Thus, in one aspect, all iterations at d <−1 or d> 1.1, or f <−1 or f> 1.1 are considered failures. In other aspects, different constraints on the parameters d and f can be used.
Levenberg−Marquardtアルゴリズムは、反復的なアルゴリズムであるため、通常は、フィットのための関数のパラメータの初期推定値を必要としている。初期推定値が良好であればあるほど、近似も良好になり、アルゴリズムが局所的な最小値に向かって収束する可能性も低くなる。ダブルシグモイド関数の複雑性とPCR曲線又はその他の成長曲線の様々な形状に起因し、アルゴリズムがしばしば局所的な最小値に収束することを防止するには、すべてのパラメータにおける1つの初期推定値だけでは、十分ではないであろう。従って、ある観点においては、複数(例えば、3つ以上)の初期パラメータの組を入力し、最良の結果を保持している。ある観点においては、使用している複数のパラメータの組にわたって、大部分のパラメータを一定に保持しており、複数のパラメータの組のそれぞれごとに異なってよいのは、パラメータc、d、及びfのみである。図6は、異なるバラメータの組における3つの曲線形状の例を示している。これらの3つのパラメータの組の選択は、PCRデータを表す曲線の3つの可能な異なる形状を示している。3つを上回る数のパラメータの組を処理して最良のものを保持することも可能であることを理解されたい。 Since the Levenberg-Marquardt algorithm is an iterative algorithm, it usually requires an initial estimate of the function parameters for the fit. The better the initial estimate, the better the approximation and the less likely the algorithm will converge towards a local minimum. Due to the complexity of the double sigmoid function and the various shapes of the PCR curve or other growth curves, only one initial estimate for all parameters can be used to prevent the algorithm often converging to a local minimum. Then it will not be enough. Accordingly, in one aspect, a plurality of (for example, three or more) initial parameter sets are input and the best result is maintained. In one aspect, the majority of parameters are held constant across the plurality of parameter sets in use, and the parameters c, d, and f may differ for each of the plurality of parameter sets. Only. FIG. 6 shows examples of three curve shapes in different parameter sets. The selection of these three parameter sets shows the three possible different shapes of the curve representing the PCR data. It should be understood that more than three parameter sets can be processed to keep the best.
図3に示されているように、段階510において、LM法の初期入力パラメータを識別している。これらのパラメータは、操作者が入力するか又は算出可能である。一態様によれば、これらのパラメータは、後述するように、段階502、504、及び506によって決定又は設定されている。
As shown in FIG. 3, in
(初期パラメータ(a)の算出)
パラメータ(a)は、ベースラインの高さであり、この値は、初期パラメータのすべての組にわたって同一である。ある観点においては、段階504において、データセットから、3番目に小さいy軸値(例えば、蛍光値)がパラメータ(a)に割り当てられている。この結果、安定した計算が可能である。当然のことながら、その他の態様においては、必要に応じて、最小のy軸値や2番目に小さい値などの任意のその他の蛍光値をパラメータ(a)に割り当て可能である。
(Calculation of initial parameter (a))
Parameter (a) is the height of the baseline, and this value is the same across all sets of initial parameters. In one aspect, in
(初期パラメータ(b)の算出)
パラメータ(b)は、ベースライン及びプラトーのスロープである。この値は、初期パラメータのすべての組にわたって同一である。理想的には、なんらのスロープも存在するべきではないことから、ある観点においては、段階502において、0.01という固定値を(b)に対して割り当てている。その他の態様においては、例えば、0〜約0.5の範囲の値などの異なる値をパラメータ(b)に対して割り当て可能である。
(Calculation of initial parameter (b))
Parameter (b) is the baseline and plateau slope. This value is the same across all sets of initial parameters. Ideally, no slope should exist, so in one aspect, in
(初期パラメータ(c)の算出)
パラメータ(c)は、プラトーの高さ−ベースラインの高さを表しており、これは、AFI(Absolute Fluorescence Increase)として表記される。ある観点においては、最初のパラメータの組においては、c=AFI+2であり、最後の2つのパラメータの組においては、c=AFIである。これが図6に示されており、最後の2つのパラメータの組の場合には、c=AFIであり、最初のパラメータの組の場合には、c=AFI+2である。この変化は、パラメータの最初の組によってモデル化された曲線の形状に起因しており、これは、プラトーを有していない。
(Calculation of initial parameter (c))
The parameter (c) represents the height of the plateau-the height of the baseline, which is expressed as AFI (Absolute Fluorescence Increase). In one aspect, c = AFI + 2 for the first set of parameters and c = AFI for the last two sets of parameters. This is shown in FIG. 6, where c = AFI for the last two parameter sets and c = AFI + 2 for the first parameter set. This change is due to the shape of the curve modeled by the first set of parameters, which has no plateau.
(パラメータ(d)及び(f)の算出)
パラメータ(d)及び(f)は、2つのシグモイドのシャープネスを定義している。これらのパラメータにおける曲線に基づいて近似を付与する方法は存在していないことから、ある観点においては、段階502において、3つの典型的な固定値を使用している。その他の固定した又は固定されていない値をパラメータ(d)及び/又は(f)に使用することも可能であることを理解されたい。これらのペアは、遭遇するPCR曲線の大部分の共通的な形状をモデル化している。次の表2は、図6に示されているパラメータの異なる組における(d)及び(f)の値を示している。
(Calculation of parameters (d) and (f))
Parameters (d) and (f) define the sharpness of the two sigmoids. In one aspect, in
(パラメータ(e)及び(g)の算出)
段階506において、パラメータ(e)及び(g)を決定している。パラメータ(e)及び(g)は、2つのシグモイドの変曲点を定義している。ある観点においては、これらは、いずれも、すべての初期パラメータの組にわたって同一の値を有している。パラメータ(e)及び(g)は、同一又は異なる値を具備可能である。近似を検出するべく、ある観点においては、強度の平均を上回る最初のポイントのx値を使用している(これは、例えば、蛍光であるが、スパイクではない)。この態様に従って(e)及び(g)の値を決定するプロセスが図7に示されており、以下、これについて説明する。
(Calculation of parameters (e) and (g))
In
図7を参照すれば、まず、曲線の平均(例えば、蛍光強度)を決定している。次いで、平均を上回る最初のデータポイントを識別している。次いで、(a)そのポイントが、曲線の開始点の近傍(例えば、最初の5サイクル内)に位置していないかどうか、(b)そのポイントが、曲線の終点の近傍(例えば、最後の5つのサイクル内)に位置していないかどうか、及び(c)そのポイントの周り(例えば、その周りの2ポイントの半径内)の導関数が符号の変化を示していないかどうか(変化を示している場合には、そのポイントは、スパイクである可能性が高く、従って、拒絶する必要がある)を決定している。 Referring to FIG. 7, first, an average of curves (for example, fluorescence intensity) is determined. The first data point above the average is then identified. Then (a) whether the point is not near the start of the curve (eg within the first 5 cycles), (b) the point is near the end of the curve (eg the last 5 And (c) whether the derivative around that point (eg, within the radius of two points around it) does not show a change in sign (showing the change) If so, the point is likely to be a spike and therefore needs to be rejected).
次の表3は、一態様による図6に使用されている初期パラメータ値の例を示している。 Table 3 below shows examples of initial parameter values used in FIG. 6 according to one aspect.
再度図3を参照すれば、段階510において、すべてのパラメータが設定された後に、入力されたデータセット、関数、及びパラメータを使用してLMプロセス520を実行する。従来は、Levenberg−Marquardt法を使用することにより、非線形の最小二乗問題を解決している。従来のLM法においては、曲線の近似とデータセット間の誤差の二乗の合計として定義されている距離の尺度を算出している。しかしながら、二乗の合計を最小化する場合には、異常値の距離が、スパイクではないデータポイントの距離を上回っているために、異常値に対して大きな重みが付与されることになり、この結果、しばしば、不適切な曲線や好ましくない曲線が得られることになってしまう。従って、本発明の一態様によれば、絶対誤差の合計を極小化することにより、近似とデータセット間の距離を演算している(この結果、この場合には、異常値に対して大きな重みが付与されない)。この態様においては、近似とデータ間の距離は、次式によって付与される。
Referring again to FIG. 3, at
距離=Σ|ydata−yapproximation| (3) Distance = Σ | y data −y approximation | (3)
前述のように、ある観点においては、段階522及び段階524に示されているように、複数(例えば、3つ)の初期パラメータの組のそれぞれを入力し、処理した後に、最良の結果を保持しており、この最良の結果は、式(3)における最も小さい又は最小の距離を提供するパラメータの組である。ある観点においては、パラメータの大部分を複数のパラメータの組にわたって一定に保持しており、パラメータのそれぞれの組ごとに異なってよいものは、c、d、及びfのみである。任意の数の初期パラメータの組を使用可能であることを理解されたい。 As described above, in some aspects, as shown in steps 522 and 524, each of a plurality (eg, three) of sets of initial parameters is entered and processed to retain the best results. This best result is the set of parameters that provides the smallest or smallest distance in equation (3). In one aspect, most of the parameters are held constant across multiple parameter sets, and only c, d, and f can be different for each set of parameters. It should be understood that any number of initial parameter sets can be used.
図8は、本発明によるパラメータの組におけるLMプロセス520のプロセスフローを示している。前述のように、Levenberg−Marquardt法は、最急降下プロセス又はGauss−Newtonプロセスのように動作可能である。この振る舞いは、減衰係数λによって左右される。λが大きいほど、Levenberg−Marquardtアルゴリズムは、最急降下プロセスのように振舞うことになる。一方、λが小さいほど、Levenberg−Marquardtアルゴリズムは、Gauss−Newtonプロセスのように振舞うことになる。ある観点においては、λは、0.001から始まっている。λは、約0.000001〜約1.0などの任意のその他の値から始まることも可能であることを理解されたい。 FIG. 8 shows the process flow of the LM process 520 for a set of parameters according to the present invention. As described above, the Levenberg-Marquardt method can operate like a steepest descent process or a Gauss-Newton process. This behavior depends on the attenuation coefficient λ. The larger λ, the more the Levenberg-Marquardt algorithm will behave like a steepest descent process. On the other hand, as λ is smaller, the Levenberg-Marquardt algorithm behaves like a Gauss-Newton process. In one aspect, λ starts at 0.001. It should be understood that λ can start from any other value, such as from about 0.000001 to about 1.0.
前述のように、Levenberg−Marquardt法は、反復的な技法である。一態様によれば、図8に示されているように、それぞれの反復において、次の各段階を実行している。 As described above, the Levenberg-Marquardt method is an iterative technique. According to one aspect, the following steps are performed in each iteration, as shown in FIG.
1.先行する近似のヘッセ行列(H)を算出する。 1. The preceding approximate Hessian matrix (H) is calculated.
2.先行する近似の転置ヤコビ行列(JT)を算出する。 2. The preceding approximate transposed Jacobian matrix (J T ) is calculated.
3.先行する近似の距離ベクトル(d)を算出する。 3. The preceding approximate distance vector (d) is calculated.
4.現在の減衰係数λにより、次のようにヘッセ行列の対角項を増大させる。 4). With the current attenuation coefficient λ, the diagonal term of the Hessian is increased as follows.
Haug=Hλ (4) H aug = Hλ (4)
5.増大した式を次のように解く。 5. Solve the augmented equation as follows.
Haugx=JTd (5) H aug x = J T d (5)
6.増大した式の解xを関数のパラメータに追加する。 6). Add the increased equation solution x to the function parameters.
7.新しい近似及び曲線間の距離を算出する。 7). Calculate new approximations and distances between curves.
8.新しいパラメータの組を有する距離が、以前のパラメータの組を有する距離を下回っている場合には、・その反復は成功であると見なされ、・パラメータの新しい組を維持又は保存し、・減衰係数λを(例えば、係数10だけ)減少させる。新しいパラメータの組を有する距離が、以前のパラメータの組を有する距離を上回っている場合には、・その反復は失敗であると見なされ、・パラメータの新しい組を破棄し、・減衰係数λを(例えば、係数10だけ)増大させる。 8). If the distance with the new parameter set is less than the distance with the previous parameter set, then the iteration is considered successful, and keeps or saves the new set of parameters. Reduce λ (eg, by a factor of 10). If the distance with the new parameter set is greater than the distance with the previous parameter set, then the iteration is considered a failure, discards the new set of parameters, and sets the damping factor λ to Increase (for example, by a factor of 10).
ある観点においては、図8のLMプロセスは、次の基準の中の1つが実現されるまで反復される。 In one aspect, the LM process of FIG. 8 is repeated until one of the following criteria is achieved:
1.既定の反復回数Nだけ既に実行されている。この第1の基準は、アルゴリズムが無制限に反復されることを防止している。例えば、図10に示されているある観点においては、既定の反復値Nは、100である。アルゴリズムが収束可能である場合には、100回の反復は、アルゴリズムが収束するのに十分なものであるはずである。一般に、Nは、10未満〜100超の範囲をとることができる。 1. Already executed for a predetermined number of iterations N. This first criterion prevents the algorithm from being repeated indefinitely. For example, in one aspect shown in FIG. 10, the default iteration value N is 100. If the algorithm can converge, 100 iterations should be sufficient for the algorithm to converge. In general, N can range from less than 10 to more than 100.
2.2つの成功した反復間の距離の差が閾値(例えば、0.0001)を下回っている。差が非常に小さくなった場合には、所望の精度が既に実現されており、解がそれ以上大幅に良好になることはないことから、反復を継続するのは無意味である。 2. The difference in distance between two successful iterations is below a threshold (eg, 0.0001). If the difference becomes very small, it is pointless to continue the iteration because the desired accuracy has already been achieved and the solution will not be much better.
3.減衰係数λが既定の値を超過している(例えば、1020を上回っている)。λが非常に大きくなると、アルゴリズムは、現在の解よりも良好に収束することはなく、従って、反復を継続するのは無意味である。一般に、この規定値は、1020を大幅に下回る又は上回るものであってよい。 3. The attenuation coefficient λ exceeds a predetermined value (for example, exceeds 10 20 ). When λ becomes very large, the algorithm does not converge better than the current solution, and therefore it does not make sense to continue iterating. In general, this specified value may be significantly below or above 10 20 .
(正規化)
パラメータの決定が完了した後に、ある実施態様においては、決定されたパラメータの1つ又は複数のものを使用して曲線を正規化している(段階130)。例えば、ある観点においては、曲線の線形成長部分を減算することにより、ゼロのベースラインスロープを有するように曲線を正規化又は調節可能である。数学的には、これは、次のように表される。
(Normalization)
After the parameter determination is complete, in one embodiment, the curve is normalized using one or more of the determined parameters (step 130). For example, in one aspect, a curve can be normalized or adjusted to have a zero baseline slope by subtracting the linear growth portion of the curve. Mathematically, this is expressed as:
dataNew(BLS)=data−(a+bx) (6) dataNew (BLS) = data− (a + bx) (6)
ここで、dataNew(BLS)は、ベースライン減算の後の正規化された信号であり、これは、例えば、線形成長又はベースラインスロープが減算又は除去されたデータセット(data)である。パラメータa及びbの値は、LM式を使用して曲線回帰させることによって決定された値であり、xは、サイクル数である。従って、x軸に沿ったすべてのデータ値について、定数aとスロープbにx値を乗算したものをデータから減算することにより、ゼロのベースラインスロープを有するデータ曲線を生成している。ある態様においては、LM回帰プロセスをデータセットに適用して正規化パラメータを決定する前に、スパイクポイントをデータセットから除去している。 Here, dataNew (BLS) is a normalized signal after baseline subtraction, which is, for example, a data set (data) from which linear growth or baseline slope has been subtracted or removed. The values of parameters a and b are values determined by curve regression using the LM equation, and x is the number of cycles. Therefore, for all data values along the x-axis, a data curve having a zero baseline slope is generated by subtracting the constant a and slope b multiplied by the x value from the data. In certain aspects, spike points are removed from the data set before applying the LM regression process to the data set to determine the normalization parameters.
別の態様においては、次式に従って、ゼロのスロープを有するように曲線を正規化又は調節可能である。 In another aspect, the curve can be normalized or adjusted to have a zero slope according to the following equation:
dataNew(BLSD)=(data−(a+bx))/a (7a) dataNew (BLSD) = (data- (a + bx)) / a (7a)
ここで、dataNew(BLSD)は、除算を有するベースライン減算の後の正規化された信号であり、これは、例えば、線形成長又はベースラインスロープを減算又は除去し、この結果をaによって除算したデータセット(data)である。パラメータa及びbの値は、LM式を使用して曲線回帰させることによって決定された値であり、xは、サイクル数である。従って、x軸に沿ったすべての値について、定数aとスロープbにx値を乗算したものをデータから減算し、この結果をパラメータaの値によって除算することにより、ゼロのベースラインスロープを有するデータ曲線を生成している。ある観点においては、式(7a)は、パラメータ”a”≧1の場合に有効であり、”a”<1の場合には、次の式が使用される。 Where dataNew (BLSD) is the normalized signal after baseline subtraction with division, which subtracts or removes the linear growth or baseline slope, for example, and divides the result by a Data set (data). The values of parameters a and b are values determined by curve regression using the LM equation, and x is the number of cycles. Thus, for all values along the x axis, the constant a and the slope b multiplied by the x value are subtracted from the data, and the result is divided by the value of the parameter a, thereby having a baseline slope of zero. A data curve is generated. In one aspect, the equation (7a) is effective when the parameter “a” ≧ 1, and when “a” <1, the following equation is used.
dataNew(BLSD)=data−(a+bx) (7b) dataNew (BLSD) = data- (a + bx) (7b)
ある態様においては、LM回帰プロセスをデータセットに適用して正規化パラメータを決定する前に、スパイクポイントをデータセットから除去している。 In certain aspects, spike points are removed from the data set before applying the LM regression process to the data set to determine the normalization parameters.
更に別の態様においては、曲線は、次式に従って正規化又は調節可能である。 In yet another aspect, the curve can be normalized or adjusted according to the following equation:
dataNew(BLD)=data/a (8a) dataNew (BLD) = data / a (8a)
ここで、dataNew(BLD)は、ベースライン除算の後の正規化済みの信号であり、これは、例えば、パラメータaによって除算されたデータセット(data)である。パラメータa及びbの値は、LM式を使用して曲線回帰させることによって決定された値であり、xは、サイクル数である。ある観点においては、式(8a)は、パラメータ”a”≧1の場合に有効であり、”a”<1の場合には、次の式が使用される。 Here, dataNew (BLD) is a normalized signal after baseline division, which is, for example, a data set (data) divided by parameter a. The values of parameters a and b are values determined by curve regression using the LM equation, and x is the number of cycles. In one aspect, equation (8a) is valid when parameter “a” ≧ 1, and when “a” <1, the following equation is used.
dataNew(BLD)=data+(1−a) (8b) dataNew (BLD) = data + (1-a) (8b)
ある態様においては、LM回帰プロセスをデータセットに適用して正規化パラメータを決定する前に、スパイクポイントをデータセットから除去している。 In certain aspects, spike points are removed from the data set before applying the LM regression process to the data set to determine the normalization parameters.
更に別の態様においては、次の式に従って曲線を正規化又は調節可能である。 In yet another aspect, the curve can be normalized or adjusted according to the following equation:
dataNew(PGT)=(data−(a+bx))/c (9a) dataNew (PGT) = (data- (a + bx)) / c (9a)
この場合に、dataNew(PGT)は、除算を伴うベースライン減算の後の正規化済みの信号であり、これは、例えば、線形成長又はベースラインスロープを減算又は除去し、この結果をcによって除算したデータセット(data)である。a、b、及びcの値は、LM式を使用して曲線回帰させることによって決定された値であり、xは、サイクル数である。従って、x軸に沿ったすべてのデータ値について、定数aとスロープbにx値を乗算したものをデータから除算し、この結果をパラメータcの値によって除算することにより、ゼロのベースラインスロープを有するデータ曲線を生成している。ある観点においては、式(9a)は、パラメータ”c”≧1の場合に有効であり、パラメータ”c”<1及び”c”≧0の場合には、次の式を使用する。 In this case, dataNew (PGT) is the normalized signal after baseline subtraction with division, which subtracts or removes the linear growth or baseline slope, for example, and divides the result by c Data set (data). The values for a, b, and c are values determined by curve regression using the LM equation, and x is the number of cycles. Thus, for all data values along the x axis, the constant a and the slope b multiplied by the x value are divided from the data, and the result is divided by the value of the parameter c, so that a zero baseline slope is obtained. A data curve is generated. In one aspect, the equation (9a) is effective when the parameter “c” ≧ 1, and the following equation is used when the parameters “c” <1 and “c” ≧ 0.
dataNew(PGT)=data−(a+bx) (9b) dataNew (PGT) = data- (a + bx) (9b)
ある態様においては、LM回帰プロセスをデータセットに適用して正規化パラメータを決定する前に、データセットからスパイクポイントを除去している。 In one aspect, spike points are removed from the data set before applying the LM regression process to the data set to determine the normalization parameters.
当業者であれば、Levenberg−Marquardt又はその他の回帰プロセスによって決定されたパラメータを使用することにより、その他の正規化式を使用してベースラインを正規化及び/又は変更可能であることを理解するであろう。 Those skilled in the art will appreciate that other normalization formulas can be used to normalize and / or modify the baseline by using parameters determined by Levenberg-Marquardt or other regression processes. Will.
(曲率決定)
式(6)、(7)、(8)、又は(9)、或いは、その他の正規化式のいずれかを使用した曲線の正規化が完了した後に、Ct値を決定可能である。ある観点においては、動力学的PCR曲線のエルボー値又はCt値を決定するためのプロセスフローを示している図9を参照して説明するように、曲率決定プロセス又は方法を正規化済みの曲線に適用している。段階910において、データセットを取得している。決定プロセスが、サーモサイクラーなどのPCRデータ取得装置内に位置するインテリジェンスモジュール内で(例えば、プロセッサ実行命令として)実施されているケースにおいては、データセットは、データの収集に伴って、インテリジェンスモジュールにリアルタイムで供給可能であり、或いは、メモリユニット又はバッファ内に保存し、実験が完了した後に、モジュールに供給することも可能である。同様に、データセットは、取得装置に対するネットワーク接続(例えば、LAN、VPN、イントラネット、インターネットなど)又は直接接続(例えば、USB又はその他の直接的な有線又は無線接続)を介してデスクトップコンピュータシステムなどの別個のシステムに供給することも可能であり、或いは、CD、DVD、フロッピー(登録商標)ディスク、又はこれらに類似したものなどの携帯型の媒体上において供給することも可能である。
(Decision of curvature)
The Ct value can be determined after normalization of the curve using equations (6), (7), (8), (9), or any other normalization equation is complete. In one aspect, the curvature determination process or method is transformed into a normalized curve, as described with reference to FIG. 9, which shows a process flow for determining the elbow or Ct value of a kinetic PCR curve. Applicable. In
データセットの受領又は取得が完了した後に、段階920において、曲線に対する近似を決定する。この段階においては、ある実施態様においては、Levenberg−Marquardt回帰プロセスによって決定されたパラメータを有するダブルシグモイド関数を使用することにより、データセットを表す曲線の近似を検出している。又、図3を参照して説明したように、段階920の前に、スパイクポイントをデータセットから除去することも可能である。例えば、段階910において取得されたデータセットは、既にスパイクが除去されているデータセットであってもよい。段階930において、曲線を正規化する。ある態様においては、前述の式(6)、(7)、(8)、又は(9)の中のいずれかを使用して曲線を正規化している。例えば、段階920において決定したダブルシグモイド式のパラメータを使用し、前述の式(6)に従ってベースラインスロープを減算することにより、ベースラインをゼロスロープに設定可能である。段階940において、プロセスを正規化済みの曲線に対して適用することにより、正規化済みの曲線に沿ったポイントにおける曲率を決定している。曲率対サイクル数のプロットを返すと共に/又は表示可能である。最大曲率のポイントがエルボー値又はCt値に対応している。段階950において、結果を、例えば、分析を実行したシステム又は分析を要求した別個のシステムに対して返している。段階960において、Ct値を表示している。データセットの全体や曲線の近似などの追加データを表示することも可能である。図9の分析を実行したシステムと結合されているモニター画面又はプリンタなどの表示装置によってグラフィカルな表示をレンダリングすることも可能であり、或いは、表示装置上においてレンダリングするべく別個のシステムにデータを供給することも可能である。
After the receipt or acquisition of the data set is complete, at
ある実施態様よれば、この曲線のCt値を取得するべく、最大曲率を決定している。ある観点においては、正規化済みの曲線上のいくつか又はすべてのポイントにおける曲率を決定している。曲率対サイクル数のプロットを表示可能である。曲線の曲率は、次式によって付与される。 According to one embodiment, the maximum curvature is determined to obtain the Ct value of this curve. In one aspect, the curvature at some or all points on the normalized curve is determined. A plot of curvature versus number of cycles can be displayed. The curvature of the curve is given by:
次式によって付与される半径aの円を検討する。 Consider a circle of radius a given by:
式(11)の曲率は、kappa(x)=−(1/a)である。従って、曲率の半径は、曲率の負の逆数に等しい。円の半径が一定であるため、その曲率は、−(1/a)によって付与される。ここで、図10bを検討する。これは、図10aのPCRデータセットのフィットの曲率のプロットである。Ct値は、最大曲率の位置において発生すると考えられ、これは、サイクル数Ct=21.84において発生している。このCt値は、図10aに示されているPCR成長曲線に良好に対応している。 The curvature of equation (11) is kappa (x) = − (1 / a). Therefore, the radius of curvature is equal to the negative reciprocal of the curvature. Since the radius of the circle is constant, its curvature is given by-(1 / a). Now consider FIG. 10b. This is a plot of the curvature of the fit of the PCR data set of FIG. 10a. The Ct value is considered to occur at the position of maximum curvature, which occurs at cycle number Ct = 21.84. This Ct value corresponds well with the PCR growth curve shown in FIG. 10a.
最大曲率(これは、21.84のCt値に対応している)における曲率半径は、半径=1/0.2818=3.55サイクルである。この半径の円を図10aのPCR成長曲線に重ね合わせたものが図11に示されている。図11が示しているように、この最大曲率に対応する半径の円は、曲線に正接した状態で曲線の成長領域の開始点に重ね合わせることができる最大の円を表している。小さな(最大の)曲率半径を有する曲線は、急峻な成長曲線を有することになり、大きな(最大の)曲率半径を有する曲線は、穏やかな成長曲線を有することになる。曲率半径が極端に大きい場合には、これは、明らかな信号を有していない曲線を示している。 The radius of curvature at the maximum curvature (which corresponds to a Ct value of 21.84) is Radius = 1 / 0.2818 = 3.55 cycles. FIG. 11 shows the circle of this radius superimposed on the PCR growth curve of FIG. 10a. As shown in FIG. 11, the circle with the radius corresponding to the maximum curvature represents the maximum circle that can be superimposed on the starting point of the growth region of the curve while being tangent to the curve. A curve with a small (maximum) radius of curvature will have a steep growth curve, and a curve with a large (maximum) radius of curvature will have a gentle growth curve. If the radius of curvature is extremely large, this indicates a curve with no obvious signal.
曲率の計算において必要な式(1)のダブルシグモイドの1次及び2次導関数を次に示しておく。 The first and second derivatives of the double sigmoid of the formula (1) necessary for calculating the curvature are shown below.
(1次導関数)
(2次導関数)
図12aは、成長曲線の未加工のデータの一例を示している。ダブルシグモイド/LM法を図12bに示されている未加工のデータプロットに適用することにより、次の表4に示されている式(1)の7つのパラメータの値が得られる。 FIG. 12a shows an example of raw data of the growth curve. By applying the double sigmoid / LM method to the raw data plot shown in FIG. 12b, the values of the seven parameters of equation (1) shown in Table 4 below are obtained.
図13には、図12に示されているデータに対するダブルシグモイドフィットが示されており、これは、データポイントの非常に正確な評価を示している。次いで、これらのデータを式(6)(ベースライン減算)に従って正規化することにより、図14に示されているグラフが得られる。図14に示されている実線は、式(6)に従って正規化済みのこのデータセットに対する式(1)のダブルシグモイド/LMの適用結果である。図15は、図14の正規化済みの曲線における曲率対サイクル数のプロットを示している。曲率の最大値である0.1378の曲率は、サイクル数34.42において発生している。従って、この最大曲率におけるサイクル数に基づいて、Ct=34.42であり、曲率半径=1/0.1378=7.25である。この曲率半径を有する円と正規化済みのデータセットを重ね合わせたものが図16に示されている。 FIG. 13 shows a double sigmoid fit to the data shown in FIG. 12, which shows a very accurate assessment of the data points. Then, by normalizing these data according to equation (6) (baseline subtraction), the graph shown in FIG. 14 is obtained. The solid line shown in FIG. 14 is the result of applying the double sigmoid / LM of equation (1) to this data set normalized according to equation (6). FIG. 15 shows a plot of curvature versus number of cycles in the normalized curve of FIG. A curvature of 0.1378, which is the maximum value of curvature, occurs at a cycle number of 34.42. Therefore, based on the number of cycles at this maximum curvature, Ct = 34.42 and the radius of curvature = 1 / 0.1378 = 7.25. FIG. 16 shows a superposition of a circle having this radius of curvature and a normalized data set.
「遅成長(slow−grower)」データセットの一例が図17に示されている。このデータセットに対するダブルシグモイドフィットとベースライン減算(式(6))を使用した正規化により、図18に示されているフィット結果が得られる。対応する曲率プロットが図19に示されている。最大曲率である曲率=0.00109274は、サイクル数25.90において発生しており、これは、曲率半径=915に対応している。この大きな曲率半径は、これが遅成長(slow grower)データセットであることを示している。 An example of a “slow-grower” data set is shown in FIG. Normalization using double sigmoid fit and baseline subtraction (Equation (6)) on this data set yields the fit results shown in FIG. The corresponding curvature plot is shown in FIG. Curvature = 0.00109274, which is the maximum curvature, occurs at a cycle number of 25.90, which corresponds to a radius of curvature = 915. This large radius of curvature indicates that this is a slow growth data set.
別の例として、図20に示されているPCR成長曲線の組を検討する。既存の方法(「閾値」)を使用して得られたCt値対除算を伴うベースライン減算(BLSD−式(7))を使用して得られたCt値の比較が、次の表5に示されている。 As another example, consider the set of PCR growth curves shown in FIG. A comparison of Ct values obtained using the existing method (“threshold”) versus baseline subtraction with division (BLSD—equation (7)) is shown in Table 5 below. It is shown.
表5は、Ct値を算出する曲率法(この場合には、BLSDによる正規化の後におけるものである)によれば、既存の閾値法と比べて、小さなCv(Coefficient of Variation)が得られることを示している。又、曲率法によって算出された曲率半径(Radius Of Curvature:ROC)は、線形曲線と真の成長曲線を弁別するための簡単な方法を提供している。 Table 5 shows that according to the curvature method for calculating the Ct value (in this case, after normalization by BLSD), a smaller Cv (Coefficient of Variation) is obtained compared to the existing threshold method. It is shown that. The radius of curvature (ROC) calculated by the curvature method provides a simple method for discriminating between a linear curve and a true growth curve.
(結論)
本発明の一態様によれば、成長曲線のベースラインの終点におけるポイントを決定するコンピュータにより実施される方法が提供される。この方法は、通常、成長曲線を表すデータセットを受領する段階であって、このデータセットは、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでいる、段階と、Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用してデータセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、関数のパラメータを決定する段階と、を含んでいる。本方法は、通常、決定されたパラメータを使用して曲線を正規化し、正規化された曲線を生成する段階と、正規化済みの曲線を処理して最大曲率のポイントの座標値を決定する段階と、を更に含んでおり、このポイントは、成長曲線のベースライン領域の終点を表している。ある観点においては、正規化済みの曲線を処理することにより、曲線に沿ったいくつか又はすべてのポイントにおける曲率を決定している。特定の実施態様においては、本方法は、正規化済みの曲線の曲率のプロットを表示する段階を更に含んでいる。
(Conclusion)
According to one aspect of the invention, a computer-implemented method is provided for determining a point at the end of a baseline of a growth curve. The method typically includes receiving a data set representing a growth curve, the data set including a plurality of data points each having a pair of coordinate values, and a Levenberg-Marquardt (LM). ) Determining the parameters of the function by applying a regression process to the double sigmoid function to calculate an approximation of the curve that fits the data set. The method typically involves normalizing the curve using the determined parameters to generate a normalized curve, and processing the normalized curve to determine the coordinate value of the point of maximum curvature. And this point represents the end point of the baseline region of the growth curve. In one aspect, the normalized curve is processed to determine the curvature at some or all points along the curve. In certain embodiments, the method further includes displaying a plot of the curvature of the normalized curve.
ある観点においては、データセットは、動力学的なポリメラーゼ連鎖反応(PCR)プロセス、バクテリアプロセス、酵素プロセス、又はバインディングプロセスの成長曲線を表している。特定の実施態様においては、増幅されたポリヌクレオチドの蓄積は、蛍光強度値、ルミネセンス強度値、ケミルミネセンス強度値、リン光強度値、電荷転送値、バイオルミネセンス強度値、又は吸収値の中の1つによって表されている。 In one aspect, the data set represents a growth curve of a kinetic polymerase chain reaction (PCR) process, a bacterial process, an enzymatic process, or a binding process. In certain embodiments, the accumulation of amplified polynucleotide comprises fluorescence intensity values, luminescence intensity values, chemiluminescence intensity values, phosphorescence intensity values, charge transfer values, bioluminescence intensity values, or absorption values. Represented by one of them.
別の実施例においては、曲線は、動力学的なポリメラーゼ連鎖反応(PCR)プロセスの成長曲線を表しており、ベースライン領域の終点におけるポイントは、動力学的なPCR曲線のエルボー又はサイクル閾値(Ct)を表しており、この場合に、最大曲率を有するポイントがCt値を表している。ある態様においては、座標値のペアは、増幅されたポリヌクレオチドの蓄積とサイクル数を表している。別の態様においては、本方法は、Ct値を返す段階を更に含んでいる。更に別の態様においては、本方法は、Ct値を表示する段階を更に含んでいる。 In another example, the curve represents a growth curve for a kinetic polymerase chain reaction (PCR) process, and the point at the end of the baseline region is the elbow or cycle threshold ( Ct), and in this case, the point having the maximum curvature represents the Ct value. In some embodiments, the pair of coordinate values represents the accumulation of amplified polynucleotide and the number of cycles. In another aspect, the method further includes returning a Ct value. In yet another aspect, the method further includes displaying a Ct value.
ある態様においては、正規化する段階は、曲線の線形成長部分を減算する段階を含んでいる。ある態様においては、受領したデータセットは、1つ又は複数の異常値又はスパイクポイントを除去するべく処理済みのデータセットを含んでいる。 In some embodiments, normalizing includes subtracting a linearly growing portion of the curve. In some aspects, the received data set includes a data set that has been processed to remove one or more outliers or spike points.
ある態様においては、ダブルシグモイド関数は、a+bx+c/((1+exp-d(x-e))(1+exp-f(x-g)))という形態を有しており、算出段階は、この関数のパラメータa、b、c、d、e、f、及びgの中の1つ又は複数のものを反復的に決定する段階を含んでいる。特定の実施態様においては、少なくともパラメータa及びbが決定され、正規化段階は、曲線から線形成長部分a+bxを減算する段階を含んでいる。別の特定の実施態様においては、少なくともパラメータaが決定され、正規化段階は、曲線をパラメータaによって除算する段階を含んでいる。更に別の特定の実施態様においては、少なくともパラメータa及びbが決定され、正規化する段階は、曲線から線形成長部分a+bxを減算し、この結果をパラメータaによって除算する段階を含んでいる。 In one embodiment, the double sigmoid function has the form a + bx + c / ((1 + exp −d (xe) ) (1 + exp −f (xg) )), and the calculation step includes parameters a, b, including iteratively determining one or more of c, d, e, f, and g. In a particular embodiment, at least parameters a and b are determined, and the normalization step includes subtracting the linear growth portion a + bx from the curve. In another specific embodiment, at least the parameter a is determined, and the normalizing step includes dividing the curve by the parameter a. In yet another specific embodiment, at least parameters a and b are determined and normalizing includes subtracting the linear growth portion a + bx from the curve and dividing the result by parameter a.
別の実施例においては、少なくともパラメータa、b、及びcが決定され、正規化段階は、曲線から線形成長部分a+bxを減算する段階と、この結果をパラメータcによって除算する段階と、を含んでいる。 In another embodiment, at least parameters a, b, and c are determined, and the normalization step includes subtracting the linear growth portion a + bx from the curve and dividing the result by the parameter c. Yes.
本発明の別の態様によれば、プロセッサを制御して成長曲線のベースライン領域の終点におけるポイントを決定するためのコードを含むコンピュータ読み取り可能な媒体が提供される。このコードは、通常、成長曲線を表すデータセットを受領し(このデータセットは、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでいる)、Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用してデータセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、この関数のパラメータを決定するための命令を含んでいる。又、本コードは、通常、決定されたパラメータを使用して曲線を正規化して正規化済みの曲線を生成し、正規化済みの曲線を処理して最大曲率のポイントの座標値を決定するための命令をも含んでおり、このポイントが成長曲線のベースライン領域の終点を表している。 In accordance with another aspect of the invention, a computer readable medium is provided that includes code for controlling a processor to determine a point at the end of a baseline region of a growth curve. This code typically receives a data set that represents a growth curve (this data set includes multiple data points, each with a pair of coordinate values), and doubles the Levenberg-Marquardt (LM) regression process. It includes instructions for determining the parameters of this function by calculating an approximation of the curve that is applied to the function to fit the data set. The code also typically uses the determined parameters to normalize the curve to generate a normalized curve, and process the normalized curve to determine the coordinate value of the point of maximum curvature. This point also represents the end point of the baseline region of the growth curve.
特定の実施態様においては、コンピュータ読み取り可能な媒体は、正規化済みの曲線の曲率のプロットを表示するための命令を更に含んでいる。ある態様においては、本コードは、ベースライン領域の終点におけるポイントの座標値を返す又は表示するための命令を更に含んでいる。 In certain embodiments, the computer readable medium further includes instructions for displaying a normalized curve curvature plot. In certain aspects, the code further includes instructions for returning or displaying the coordinate value of the point at the end of the baseline region.
ある観点においては、データセットは、動力学的ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)プロセス、バクテリアプロセス、酵素プロセス、又はバインディングプロセスの成長曲線を表している。別の態様においては、コンピュータ読み取り可能な媒体は、Ct値を表示するための命令を更に含んでいる。更に別の実施例においては、コンピュータ読み取り可能な媒体は、Ct値を返すための命令を更に含んでいる。 In one aspect, the data set represents a growth curve of a kinetic polymerase chain reaction (PCR) process, a bacterial process, an enzymatic process, or a binding process. In another aspect, the computer readable medium further includes instructions for displaying the Ct value. In yet another embodiment, the computer readable medium further includes instructions for returning a Ct value.
特定の実施態様においては、データセットは、動力学的ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)プロセスの成長曲線を表しており、ベースライン領域の終点におけるポイントは、成長曲線のエルボー又はサイクル閾値(Ct)を表している。別の実施例においては、座標値のペアは、増幅されたポリヌクレオチドの蓄積とサイクル数を表している。更に別の実施例においては、増幅されたポリヌクレオチドの蓄積は、蛍光強度値、ルミネセンス強度値、ケミルミネセンス強度値、リン光強度値、電荷転送値、バイオルミネセンス強度値、又は吸収値の中の1つによって表されている。 In certain embodiments, the data set represents a growth curve of a kinetic polymerase chain reaction (PCR) process, and the point at the end of the baseline region represents the elbow or cycle threshold (Ct) of the growth curve. ing. In another embodiment, the pair of coordinate values represents the accumulation of amplified polynucleotide and the number of cycles. In yet another embodiment, the accumulation of amplified polynucleotide comprises fluorescence intensity values, luminescence intensity values, chemiluminescence intensity values, phosphorescence intensity values, charge transfer values, bioluminescence intensity values, or absorption values. Represented by one of the
ある観点においては、処理するための命令は、正規化済みの曲線に沿ったいくつか又はすべてのポイントにおける曲率を決定するための命令を含んでいる。ある態様においては、正規化するための命令は、データセットから線形成長部分を減算するための命令を含んでいる。別の態様においては、曲線は、動力学的なポリメラーゼ連鎖反応(PCR)プロセスの増幅曲線であり、ベースライン領域の終点におけるポイントは、動力学的PCR曲線のエルボー又はサイクル閾値(Ct)を表しており、最大曲率を有するポイントがCt値を表している。 In one aspect, the instructions for processing include instructions for determining curvature at some or all points along the normalized curve. In certain aspects, the instructions for normalization include instructions for subtracting the linear growth portion from the data set. In another aspect, the curve is an amplification curve of a kinetic polymerase chain reaction (PCR) process, and the point at the end of the baseline region represents the elbow or cycle threshold (Ct) of the kinetic PCR curve. The point having the maximum curvature represents the Ct value.
特定の実施態様においては、ダブルシグモイド関数は、a+bx+c/((1+exp-d(x-e))(1+exp-f(x-g)))という形態を有しており、算出するための命令は、この関数のパラメータa、b、c、d、e、f、及びgの中の1つ又は複数のものを反復的に決定するための命令を含んでいる。 In a particular embodiment, the double sigmoid function has the form a + bx + c / ((1 + exp −d (xe) ) (1 + exp −f (xg) )), and the instruction to calculate is Instructions are included for iteratively determining one or more of the parameters a, b, c, d, e, f, and g.
ある態様においては、少なくともパラメータa及びbが決定され、正規化するための命令は、曲線から線形成長部分a+bxを減算するための命令を含んでいる。別の態様においては、少なくともパラメータa、b、及びcが決定され、正規化するための命令は、曲線から線形成長部分a+bxを減算し、この結果をパラメータcによって除算するための命令を含んでいる。更に別の態様においては、少なくともパラメータaが決定され、正規化するための命令は、曲線をパラメータaによって除算するための命令を含んでいる。更に別の態様においては、少なくともパラメータa及びbが決定され、正規化するための命令は、曲線から線形成長部分a+bxを減算し、この結果をパラメータaによって除算するための命令を含んでいる。 In some aspects, at least parameters a and b are determined, and the instructions for normalization include instructions for subtracting the linear growth portion a + bx from the curve. In another aspect, at least parameters a, b, and c are determined, and the instructions for normalization include instructions for subtracting the linear growth portion a + bx from the curve and dividing the result by parameter c. Yes. In yet another aspect, at least the parameter a is determined, and the instruction for normalizing includes an instruction for dividing the curve by the parameter a. In yet another aspect, at least parameters a and b are determined, and the instructions for normalization include instructions for subtracting the linear growth portion a + bx from the curve and dividing the result by parameter a.
本発明の更に別の態様によれば、動力学的ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)システムが提供される。本システムは、通常、動力学的なPCR増幅曲線を表すPCRデータセットを生成する動力学的PCR分析モジュール(このデータセットは、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでおり、且つ、本データセットは、サイクル閾値(Ct)を含む注目の領域内にデータポイントを含んでいる)と、PCRデータセットを処理してCt値を決定するべく適合されたインテリジェンスモジュールと、を含んでいる。インテリジェンスモジュールは、通常、Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用してデータセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、関数のパラメータを決定し、決定されたパラメータを使用して曲線を正規化して正規化済みの曲線を生成すると共に、正規化済みの曲線を処理して最大曲率のポイントの座標値を決定することにより(このポイントは、成長曲線のサイクル閾値(Ct)を表している)、PCRデータセットを処理する。 According to yet another aspect of the invention, a kinetic polymerase chain reaction (PCR) system is provided. The system typically includes a kinetic PCR analysis module that generates a PCR data set that represents a kinetic PCR amplification curve (this data set includes a plurality of data points, each having a pair of coordinate values, And the data set includes a data point within a region of interest that includes a cycle threshold (Ct)) and an intelligence module adapted to process the PCR data set to determine a Ct value. It is out. The intelligence module typically determines the parameters of the function by applying a Levenberg-Marquardt (LM) regression process to the double sigmoid function to calculate a curve fit that fits the data set, and uses the determined parameters. Normalizing the curve to generate a normalized curve and processing the normalized curve to determine the coordinate value of the point of maximum curvature (this point is the growth curve cycle threshold (Ct)) Represent the PCR data set.
ある態様においては、ダブルシグモイド関数は、a+bx+c/((1+exp-d(x-e))(1+exp-f(x-g)))という形態を有しており、算出段階は、この関数のパラメータa、b、c、d、e、f、及びgの中の1つ又は複数のものを反復的に決定する段階を含んでいる。特定の実施態様においては、少なくともパラメータa及びbが決定され、正規化段階は、曲線から線形成長部分a+bxを減算する段階を含んでいる。別の特定の実施態様においては、パラメータa及びbが決定され、正規化する段階は、曲線から線形成長部分a+bxを減算する段階と、この結果をパラメータaによって除算する段階を含んでいる。更に別の特定の実施態様においては、少なくともパラメータaが決定され、正規化する段階は、パラメータaによって曲線を除算する段階を含んでいる。 In one embodiment, the double sigmoid function has the form a + bx + c / ((1 + exp −d (xe) ) (1 + exp −f (xg) )), and the calculation step includes parameters a, b, including iteratively determining one or more of c, d, e, f, and g. In a particular embodiment, at least parameters a and b are determined, and the normalization step includes subtracting the linear growth portion a + bx from the curve. In another specific embodiment, the parameters a and b are determined and normalizing includes subtracting the linear growth portion a + bx from the curve and dividing the result by the parameter a. In yet another specific embodiment, at least the parameter a is determined and normalizing includes dividing the curve by the parameter a.
別のある態様においては、少なくともパラメータa、b、及びcが決定され、正規化する段階は、曲線から線形成長部分a+bxを減算する段階と、この結果をパラメータcによって除算する段階と、を含んでいる。 In another certain aspect, at least parameters a, b, and c are determined and normalizing comprises subtracting the linear growth portion a + bx from the curve and dividing the result by parameter c. It is out.
ある観点においては、正規化済みの曲線を処理することにより、曲線に沿ったいくつか又はすべてのポイントにおける曲率を決定しており、この場合に、最大曲率を有するポイントがCt値を表している。特定の実施態様においては、インテリジェンスモジュールは、正規化済みの曲線の曲率のプロットの表示をレンダリングするべく更に適合されている。 In one aspect, the normalized curve is processed to determine the curvature at some or all points along the curve, where the point with the maximum curvature represents the Ct value. . In certain embodiments, the intelligence module is further adapted to render a display of a normalized curve curvature plot.
ある態様においては、正規化する段階は、データセットから線形成長部分を減算する段階を含んでいる。特定の実施態様においては、曲線から線形成長部分a+bxを減算することによって曲線フィットを正規化している。 In some embodiments, normalizing includes subtracting the linear growth portion from the data set. In certain embodiments, the curve fit is normalized by subtracting the linear growth portion a + bx from the curve.
特定の実施態様においては、インテリジェンスモジュールは、Ct値を返すべく更に適合されている。別の実施例においては、インテリジェンスモジュールは、Ct値を表示するべく更に適合されている。 In certain embodiments, the intelligence module is further adapted to return Ct values. In another embodiment, the intelligence module is further adapted to display Ct values.
別の態様においては、座標値のペアは、増幅されたポリヌクレオチドの蓄積とサイクル数を表している。特定の実施態様においては、増幅されたポリヌクレオチドの蓄積は、蛍光強度値、ルミネセンス強度値、ケミルミネセンス強度値、リン光強度値、電荷転送値、ケミルミネセンス強度値、又は吸収値の中の1つによって表されている。 In another embodiment, the coordinate value pair represents the accumulation of amplified polynucleotide and the cycle number. In certain embodiments, the accumulation of amplified polynucleotide comprises fluorescence intensity values, luminescence intensity values, chemiluminescence intensity values, phosphorescence intensity values, charge transfer values, chemiluminescence intensity values, or absorption values. Represented by one of them.
特定の実施態様においては、動力学的PCR分析モジュールは、動力学的なサーモサイクラー装置内に存在しており、インテリジェンスモジュールは、分析モジュールに通信可能に結合されたプロセッサを含んでいる。別の特定の実施態様においては、インテリジェンスモジュールは、ネットワーク接続又は直接接続のいずれかによって分析モジュールに結合されたコンピュータシステム内に存在するプロセッサを含んでいる。 In certain embodiments, the kinetic PCR analysis module resides in a kinetic thermocycler device, and the intelligence module includes a processor communicatively coupled to the analysis module. In another specific embodiment, the intelligence module includes a processor residing in a computer system coupled to the analysis module by either a network connection or a direct connection.
曲線フィッティング及び曲率決定プロセスを含むCt決定プロセスは、コンピュータシステムのプロセッサ上において稼動するコンピュータコードとして実施可能であることを理解されたい。このコードは、プロセッサを制御してCt決定プロセスの様々な態様及び段階を実施するための命令を含んでいる。本コードは、通常、ハードディスク、RAM、或いは、CDやDVDなどの携帯型の媒体上に保存される。同様に、これらのプロセスは、プロセッサに結合されたメモリユニット内に保存されているプロセッサ実行命令を含むサーモサイクラーなどのPCR装置内で実施することも可能である。このような命令を含むコードは、周知のように、コード供給源に対するネットワーク接続又は直接的な接続を介して、或いは、携帯型の媒体を使用することにより、PCR装置のメモリにダウンロード可能である。 It should be understood that the Ct determination process, including the curve fitting and curvature determination process, can be implemented as computer code running on a processor of a computer system. This code includes instructions for controlling the processor to implement various aspects and steps of the Ct determination process. This code is usually stored on a hard disk, RAM, or a portable medium such as a CD or DVD. Similarly, these processes may be performed in a PCR device such as a thermocycler that includes processor execution instructions stored in a memory unit coupled to the processor. The code containing such instructions can be downloaded to the PCR device memory via a network connection or a direct connection to the code source, or by using a portable medium, as is well known. .
当業者であれば、本発明のエルボー決定プロセスは、C、C++、C#、Fortran、VisualBasicなどの様々なプログラミング言語、並びに、データの視覚化及び分析に有用な事前パッケージングされたルーチン、関数、及び手順を提供するMathematicaなどのアプリケーションを使用してコーディング可能であることを理解するであろう。後者の更なる例がMATLAB(登録商標)である。 For those skilled in the art, the elbow determination process of the present invention can be implemented in various programming languages such as C, C ++, C #, Fortran, VisualBasic, and prepackaged routines, functions useful for data visualization and analysis. It will be understood that it can be coded using an application such as Mathematica, which provides the procedure. A further example of the latter is MATLAB®.
以上、一例として、特定の実施態様の観点から本発明について説明したが、本発明は開示された実施例に限定されるものではないことを理解されたい。逆に、本発明は、当業者には明らかな様々な変更及び類似の構成を包含することを意図するものである。従って、添付の請求項の範囲には、これらのあらゆる変更及び類似の構成を包含するべく、最も広範な解釈を付与することを要するものである。 Although the invention has been described above by way of example in terms of specific embodiments, it should be understood that the invention is not limited to the disclosed examples. On the contrary, the present invention is intended to cover various modifications and similar arrangements that will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the scope of the appended claims should be accorded the broadest interpretation so as to encompass all such modifications and similar arrangements.
Claims (22)
成長曲線を表すデータセットであって、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでいるデータセットを受領する段階と、
Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用して前記データセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、前記関数のパラメータを決定する段階と、
前記の決定したパラメータを使用して前記曲線を正規化し、正規化した曲線を生成する段階と、
前記正規化済みの曲線を処理することにより、前記成長曲線の前記ベースライン領域の前記終点を表す、最大曲率のポイントを決定する段階と、
を有する方法。 In a computer implemented method for determining a point at the end of a baseline region of a growth curve,
Receiving a data set representing a growth curve, the data set comprising a plurality of data points each having a pair of coordinate values;
Determining a parameter of the function by applying a Levenberg-Marquardt (LM) regression process to a double sigmoid function to calculate an approximation of a curve that fits the data set;
Normalizing the curve using the determined parameters to generate a normalized curve;
Determining a point of maximum curvature representing the end point of the baseline region of the growth curve by processing the normalized curve;
Having a method.
前記コードが、
成長曲線を表すデータセットであって、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでいるデータセットを受領する段階と、
Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用して前記データセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、前記関数のパラメータを決定する段階と、
前記決定されたパラメータを使用して前記曲線を正規化し、正規化済みの曲線を生成する段階と、
前記正規化済みの曲線を処理することにより、前記成長曲線の前記ベースライン領域の前記終点を表す、最大曲率のポイントを決定する段階と、
を実行するための命令を含んでいる、コンピュータ読み取り可能な媒体。 A computer readable medium including code for controlling a processor to determine a point at the end of a baseline region of a growth curve,
The code is
Receiving a data set representing a growth curve, the data set comprising a plurality of data points each having a pair of coordinate values;
Determining a parameter of the function by applying a Levenberg-Marquardt (LM) regression process to a double sigmoid function to calculate an approximation of a curve that fits the data set;
Normalizing the curve using the determined parameters to generate a normalized curve;
Determining a point of maximum curvature representing the end point of the baseline region of the growth curve by processing the normalized curve;
A computer readable medium containing instructions for executing
動力学的PCR増幅曲線を表すPCRデータセットであって、それぞれが座標値のペアを有する複数のデータポイントを含んでおり、且つ、サイクル閾値(Ct)を含む注目の領域内にデータポイントを含んでいるデータセットを生成する動力学的PCR分析モジュールと;
Levenberg−Marquardt(LM)回帰プロセスをダブルシグモイド関数に適用して前記データセットにフィットする曲線の近似を算出することにより、前記関数のパラメータを決定する段階と、
前記決定されたパラメータを使用して前記曲線を正規化し、正規化された曲線を生成する段階と、
前記正規化済みの曲線を処理することにより、前記成長曲線の前記サイクル閾値(Ct)を表す最大曲率のポイントを決定する段階と、
により、前記PCRデータセットを処理して前記Ct値を決定するべく適合されたインテリジェンスモジュールと;
を有するシステム。 In a kinetic polymerase chain reaction (PCR) system,
A PCR data set representing a kinetic PCR amplification curve, each including a plurality of data points having coordinate value pairs, and including data points within a region of interest including a cycle threshold (Ct) A kinetic PCR analysis module for generating a running data set;
Determining a parameter of the function by applying a Levenberg-Marquardt (LM) regression process to a double sigmoid function to calculate an approximation of a curve that fits the data set;
Normalizing the curve using the determined parameters to generate a normalized curve;
Determining a point of maximum curvature representing the cycle threshold (Ct) of the growth curve by processing the normalized curve;
An intelligence module adapted to process the PCR data set to determine the Ct value;
Having a system.
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